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électricité (PCSI) · Chapitre 8 · Exercice de TD

Énergie de deux circuits couplés

Les lois de l'induction · E. Inductance mutuelle et transformateur · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Deux circuits fixes, de résistances et , d'inductances propres et et de mutuelle , sont alimentés chacun par un générateur idéal de f.é.m. et . Chaque circuit est orienté dans le sens de son courant , et chaque générateur est en convention générateur dans ce sens.

1) Écrire les deux équations électriques, en partant des flux à travers chaque circuit.

2) Multiplier la première par , la seconde par , sommer, et montrer que Interpréter chaque terme.

3) On admet que l'énergie magnétique est positive quels que soient et . En étudiant comme un trinôme en , en déduire . Dans quel cas y a-t-il égalité ? Que vaut alors le champ magnétique pour les courants qui annulent ?

4) Les deux bobines, branchées en série « opposée » (parcourues par le même courant, la seconde à contresens de son orientation), forment une bobine unique d'inductance . Retrouver comme cas particulier, montrer que le 3) donne une borne plus forte, et vérifier le tout avec , et .

Corrigé

1) Les deux équations. Le flux à travers le circuit 1 est la somme de son flux propre et du flux envoyé par le circuit 2 : . La f.é.m. induite dans le circuit 1, orientée dans le sens de , est . Le schéma équivalent du circuit 1 est une maille comprenant le générateur , le générateur induit et la résistance ; la loi des mailles s'écrit , soit Les circuits sont fixes et les inductances constantes : on a pu les sortir des dérivées.

2) Le bilan de puissance. Multiplions et ajoutons : Le point clé est le dernier terme : grâce à la symétrie de la mutuelle (le même dans les deux équations), la parenthèse est exactement la dérivée du produit . Les autres termes sont des dérivées de carrés : . On obtient donc La puissance fournie par les générateurs se partage entre l'effet Joule et la variation d'une énergie stockée, , qui ne dépend que de l'état (les courants) : c'est l'énergie magnétique du système. Elle contient l'énergie propre de chaque bobine et un terme d'interaction , de signe quelconque.

3) La positivité et l'inégalité. Si , sans condition. Si , posons : est positive pour tous les courants si et seulement si le trinôme , de coefficient dominant , est positif pour tout réel , c'est-à-dire si et seulement si son discriminant réduit est négatif ou nul : Le cas d'égalité. si et seulement si le trinôme a une racine double, : il existe alors des courants non nuls, dans le rapport , pour lesquels . Or est l'intégrale de la densité sur tout l'espace : impose partout. Le champ de l'un compense celui de l'autre en tout point, ce qui exige que chaque ligne de champ de l'un traverse toutes les spires de l'autre : c'est l'influence totale de l'exercice 6. Avec les bobines de l'exercice 6, la condition s'écrit , soit les « ampère-tours » se compensent. On retrouvera exactement cette relation dans le problème du transformateur.

4) Retour à . L'association en série « opposée » correspond à et (même courant, bobine 2 parcourue à contresens de son orientation), soit : C'est le cas particulier annoncé. Et l'inégalité générale est plus forte : par l'inégalité (moyenne géométrique et moyenne arithmétique), Vérification numérique avec mH, mH, mH : , et . Tout est cohérent.

Ce que l'exercice installe. Le bilan de puissance d'un système de circuits couplés : multiplier chaque équation par son courant et reconnaître des dérivées. La symétrie de est nécessaire pour que le bilan ait un sens. Et une méthode générale : une énergie positive pour tous les états donne une inégalité sur les coefficients — ici , avec égalité exactement en influence totale.

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